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Les extinctions de masse

Document www.extinctions.com.

Prélude d'une mort annoncée (I)

Comment expliquer que des milliers d'espèces en pleine croissance ou parvenues au sommet de leur évolution aient disparues périodiquement depuis l'ère primaire ?

En découvrant qu'il manquait des espèces dans les enregistrements fossiles, Darwin imagina qu’il dût y avoir des cataclysmes peu plaisants dans le passé, ce qui n’allait pas vraiment dans le sens de sa théorie de l’évolution. C’est la raison pour laquelle il évoqua des disparitions graduelles car elles devaient dépendre, selon lui, de la sélection naturelle. Or, après analyse, géologues et paléontologues reconnurent que des catastrophes globales s’étaient bien produites, mais que l’Histoire de la Terre ne se résumait pas à une suite progressive d’évènements : en fait l’évolution suivait plutôt un régime chaotique[1] !

On ignore encore quels sont les évènements ayant provoqué ces extinctions de masse mais selon le paléontologue Rolf Schmidt du Musée Victoria de Melbourne, spécialiste des invertébrés fossiles en particulier des Ectoptocta ou Bryozoaires du Mésozoïque et du Cénozoïoque, les causes ont quelque chose à voir avec un changement brutal des conditions climatiques.

Décrivons brièvement ces grandes extinctions de masse avant de discuter de leurs origines probables.

A la fin de l'Ordovicien (444 millions d'années)

Ainsi, à la fin de l'Ordivicien, il y a 444 millions d'années, à l'époque où le continent Gondwana (comprenant l'Afrique, l'Inde, l'Europe, l'Amérique du Sud, l'Australie et Antarctique) amorçait son rapprochement du continent Laurentia (la future Amérique du Nord) , 86 % des espèces ont disparu. Il s'agit de la deuxième plus grande hécatombe après celle du Permien (voir plus bas).

Parmi les espèces ayant disparu, il y avait les graptolites présentés ci-dessous à gauche, une créature marine mesurant seulement 2-3 cm qui filtrait l'eau et vivait en colonies rassemblant jusqu'à plusieurs milliers d'individus. Les graptolites sont apparus au Cambrien furongien (anciennement Cambrien supérieur, il y a 497 millions d'années) et ont disparu au Carbonifère (300 millions d'années). Leur disparition qui s'étala sur environ 1 million d'années fut très remarquée en Laurentia, dans la région actuelle de l'Amérique du Nord. Elle fut probalement provoquée par un bref mais sévère âge glaciaire qui baissa le niveau des mers, probablement suite à l'élévation de la chaîne des Appalaches. Les roches composées de silicates nouvellement exposées à l'air ont absorbé le dioxyde de carbonique de l'atmosphère, produisant un refroidissement de la planète. La plupart des créatures n'ont pas pu s'adapter suffisamment vite à ce changement climatique et ont disparu.

A la fin du Dévonien (375 millions d'années)

Ensuite, il y eut l'extinction survenue à la fin du Dévonien, il y a 375 millions d'années au cours de laquelle 75 %  des espèces ont disparu dont une majorité de trilobites. Ces arthropodes (elle représente aujourd'hui la classe la plus importante du règne animal avec 80 % des espèces connues comprenant les crustacés, les insectes, les arachnides, etc.) sont apparus lors de "l'explosion du Cambrien" il y a 550 millions d'années. Très connus du public en raison de leur grande diversité (on a répertorié 18750 espèces!) et caractérisés par leur corps segmenté et leurs yeux proéminents à facettes, les trilobites ont suvécu à la première grande extinction mais furent pratiquement balayés des océans au cours de la seconde extinction de masse. Le présumé coupable fut l'émergence des plantes terrestres qui couvrirent toute la planète à l'époque du Dévonien. Leurs racines profondes ont remué la terre, libérant des nutriments qui ont fini dans les océans. On pense que ce phénomène accéléra la croissance des algues qui absorbèrent l'oxygène de l'eau, provoquant la suffocation des animaux vivant sur le fond comme les trilobites.

A lire : L'apparition et le développement de la vie

Les premiers métazoaires (troisième partie)

A télécharger : Echelle des temps géologiques - Version anglaise, ICS

A gauche des fossiles de graptolites de 2-3 cm, des créatures marines filtrant l'eau vivant à la fin de l'Ordovicien, il y a 440 millions d'années. Au centre et à droite, deux parmi les 18750 espèces de trilobites (5 cm) vivant à la fin du Dévonien, il y a 375 millions d'années. Voici un gros-plan sur les yeux à facettes du spécimen de droite. Documents Jaime Murcia/Musée de Victoria, Chip Clark/Smithsonian Institution (NMNH) et coll. T.Lombry.

A la fin du Permien (251 millions d'années)

Ensuite, au Permien, il y a 251 millions d’années, 96 % des espèces ont disparu dont 98 % des espèces d'invertébrés marins à coquilles et cette fois toutes les espèces de trilobites se sont éteintes. Cette extinction de masse fut surnommée "la grande mort" (great dying). Quelle en est la cause ? En fait, c'est une série de catastrophes qui sont à l'origine de cette hécatombe, "la mère de toutes les extinctions de masse" pour reprendre l'expression du paléobiologiste Douglas H.Erwin de l'Institut Smithsonian.

Des études pluridisciplinaires étalées sur plusieurs décennies ont révélé qu'il s'agit de la conséquence d'un changement climatique majeur combinant au moins 43 facteurs dont les effets se sont étalés sur 60000 ans :

- la présence de zircons datés de 252 à 250 millions d'années indique que la Terre subit l'impact de plusieurs grands météorites qui bouleversèrent la biosphère à l'échelle régionale voire globale pour les plus gros impacts.

- l'émission de gaz (F, S, CO2, C, hydrate de méthane, etc) à la même époque et l'analyse des isotopes de l'oxygène prisonniers des fossiles indiquent une forte augmentation de l'activité volcanique dont les traps de Sibérie sont les traces les plus marquantes (cf. l'étude de Stephen E. Grasby et al., 2011). Il s'agit manifestement des effets d'un supervolcan combinés à un réchauffement et une aridification des sols. Ces gaz et en particulier le dioxyde de carbone éjecté dans l'atmosphère augmenta l'effet de serre et la masse nuageuse, obscurcissant durablement l'atmosphère.

- Les bactéries méthanogènes y ont répondu en se multipliant et en émettant globalement de grandes quantités de méthane, un puissant gaz à effet de serre. La température moyenne de l'atmosphère augmenta brutalement. Selon une étude publiée en 2012 par Yadong Sun de l'Université de Leeds et son équipe qui étudièrent la composition de près de 15000 microfossiles de conodontes (a priori des dents de vertébrés marins mesurant entre 0.1-2 mm peut-être proche des anguilles), la température de l'air atteignit 60°C dans les régions équatoriales tandis que la température à la surface des océans approchait 40°C, tuant la plupart des organismes marins habitués à des températures de 15 à 30°C plus fraîches selon les endroits.

Sous ces fortes chaleurs, les roches sédimentaires ont à leur tour libéré leurs gaz dont le gaz carbonique qui piéga la chaleur et contribua au réchauffement de la planète. Les courants océaniques ont ralenti faisant chuter la production d'oxygène.

- En parallèle, les océans se sont acidifiés suite aux émission de gaz (dioxyde de carbone et acide sulfurique) par le supervolcan de Sibérie (cf. les analyses des isotopes stable du calcium et bore dont les résultats furent publiés respectivement en 2010 et 2015, voir Nature) tandis que dans les autres étendues liquides, l'eau a stagné, libérant du sulfure d'hydrogène (H2S) qui empoisonna toute la faune et la flore. Ce phénomène ayant duré plusieurs dizaines de milliers d'années, il empêcha les crustacés de former leur coquille. C'est leur inadaptation à ce changement climatique qui conduisit à leur extinction. Le même effet s'est produit lors de l'extinction majeure à la limite C/T il y a 65 millions d'années (voir plus bas).

 L'évolution est pour ainsi dire revenue 300 millions d'années en arrière. Les roches récoltées après cette extinction massive ne contiennent plus aucun dépôt coralien ou récif coralien. Les coraux appartenant à l'embranchement des Cnidaires (corail, méduse, etc.) existant aujourd'hui sont donc tous apparus après l'extinction du Permien voire celle du Trias (voir ci-dessous).

A la fin du Trias (200 millions d'années)

A la fin du Trias, il y a 200 millions d’années, 80 % des espèces ont disparu. Parmi les fossiles datant de cette époque, on a découvert des tonnes de conodontes mesurant 0.25-2 mm comme on le voit ci-dessous au centre. Longtemps considérés comme des fragments de bivalves ou d'éponges, grâce à la découverte d'une mandibule complète en Ecosse dans les années 1980, on pense qu'il s'agit des microdents d'une espèce de vertébré proche de l'anguille.

Les conodontes sont l'une des première espèces dont la structure est constituée d'hydroxyapatite (Ca5(PO4)3(OH)), une espèce de minéral proche des phosphates riche en calcium qui assure encore aujourd'hui un rôle clé dans notre ossature et nos dents.

Parmi toutes les extinctions de masse, celle du Trias est la plus énigmatique car aucune cause apparente ne semble l'expliquer.

A gauche, du corail tabulaire disparut au Permien appartenant à un tout autre groupe que le corail actuel. Au centre, des microfossiles de conodontes (a priori des dents d'une sorte d'anguille primitive) datant du Permien. A droite, une ammonite géante. Etant donné son poids, il s'agit d'une réplique d'un spécimen découvert à Lyme Regis, Inglaterra, dans le sud de l'Angleterre. Documents Jaime Murcia/Musée de Victoria, Paul Taylor/Natural Museumù (NHM) et anonyme (DR).

A la fin du Crétacé (65 millions d'années, limite C/T)

Enfin, une dernière extinction se produisit à la fin du Crétacé, il y a 65 millions d'années, où 76 % des espèces ont disparu, mettant un terme à deux importants règnes : celui des dinosaures sur terre et des ammonites dans les mers dont on voit la réplique d'un spécimen géant ci-dessus à droite découvert dans le sud de l'Angleterre.

Ici également les raisons sont multiples. L'activité volcanique et les changements climatiques qui en découlèrent avaient déjà perturbé les biotopes et placés les ammonites notamment en état de stress. L'impact d'un astéroïde de 10 à 20 km de diamètre au Mexique décima les dinosaures, ce qui permit aux premiers petits mammifères d'occuper les nouvelles niches écologiques avec le succès que l'on sait. Quelques rares decendants des disosaures (les oiseaux) et des ammonites (les nautiles) ont survécu.

Reste à savoir si les créatures actuelles survivront à la 6e extinction qui a n'en pas douter, surviendra un jour ou l'autre. Maheureusement, l'homme compte parmi ces espèces. On reviendra.

La charge de carbone et les extinctions de masse

Les chiffres ne mentent pas : le monde se dirige vers une 6e extinction de masse et le point de non retour est prévu vers 2100 soit dans environ 80 ans. Telle est la conclusion étonnante à laquelle est parvenu le géophysicien et mathématicien Daniel Rothman du MIT dans un article publié en 2017 dans la revue "Science Advances".

Rothman qui fut récompensé en 2015 pour son analyse mathématique du cycle du carbone entreprit d'analyser les données disponibles concernant les cinq extinctions de masse et les combina aux résultats d'une modélisation climatique d'aujourd'hui afin d'en tirer des conclusions pour le futur. Son étude mérite d'être décrite car elle met en lumière une contribution aux extinctions de masse dont l'effet futur est inattendu.

Le cycle du carbone terrestre.

En commençant son étude, Rothman a fait l'hypothèse que toute extinction massive serait caractérisée par une perturbation majeure du cycle de carbone normal terrestre. Une autre condition est l'échelle de temps : les perturbations du carbone et donc les extinctions, se sont déroulées sur des milliers voire des millions d'années.

Rothman a voulu savoir comment les mathématiques pouvaient décrire des évènements de cette ampleur en utilisant les variables des conditions actuelles où on observe une accumulation rapide de carbone qui a commencé très récemment en terme biologique et géologique.

Mais est-il tout d'abord réaliste de comparer des catastrophes écologiques majeures du passé qui se sont déroulées sur des périodes très étendues aux évènements qui se produisent aujourd'hui et échelonnés sur seulement un peu plus d'un siècle ? A cette question Rothman a répondu : "je me suis assis un jour d'été et j'ai essayé de réfléchir à la façon dont on pourrait s'en occuper systématiquement".

Il a donc commencé par classer les évènements liés au changement de concentration de carbone à long ou à court terme. Ensuite, il a parcouru des centaines de documents géochimiques pour trouver des traces de grandes perturbations du cycle du carbone terrestre. Il les a ensuite identifiées en mesurant les changements apparus dans l'abondance relative des deux isotopes du carbone-12 et du carbone-13. Pour chaque variation de rapport isotopique, il nota également la durée de l'évènement, exprimée en unité de temps qu'il fallut pour que le cycle du carbone revienne à l'équilibre.

Finalement, Rothman trouva 31 évènements correspondant à ses critères parmi lesquels les cinq extinctions de masse. Il fallut ensuite identifier les conditions caractérisant la vingtaine d'extinctions liées à des changement non catastrophiques du taux de carbone.

En résumé, Rothman développa une équation décrivant la masse totale de carbone qui fut ajoutée aux océans à chaque extinction. Il est alors devenu évident que ce changement dépendait d'un seuil que le système n'aimait pas franchir. La question était alors de comprendre ce que cela signifiait.

Selon Rothman, quatre des cinq extinctions de masse dépassaient le seuil, le plus grand écart du rapport isotopique du carbone s'étant produit lors de l'extinction du Permien.

En tenant compte de cette donnée, Rothman modélisa le cycle du carbone comme étant en interaction cyclique avec la photosynthèse et la respiration et en tenant compte d'une variable de "fuite" : une certaine proportion de la masse totale de carbone s'est échappée au fil des années et fut séquestrée en grande partie dans le plancher océanique, s'éliminant efficacement de l'équation. A titre d'information, de nos jours environ 150000 gigatonnes de carbone sont ainsi stockés dans les sédiments au fond des mers.

A gauche, les roches sédimentaires de Meishan dans la province de Sichuan dans le sud de la Chine contiennent les signatures d'une perturbation du cycle du carbone précédant immédiatement la plus grande extinction de masse que connut la Terre. Document Shuzhong Shen. A droite, les lits du Permien-Trias découverts à Meishan. Document Shuzhong Shen adapté par l'auteur.

Le point critique de ce modèle est donc le taux auquel le carbone (comme le dioxyde de carbone) entre dans le système et le taux auquel il en sort à travers la séquestration. Selon Rothman, si l'écosystème global de la planète ne pouvait pas s'adapter suffisamment vite au changement, alors l'augmentation du taux de carbone atteint un excès et franchit le seuil de non retour pendant de longues périodes de temps. En revanche, sur des périodes plus courtes, le taux d'excès de production de carbone n'a pas d'importance. Dans ce cas, l'ampleur globale du changement joue un facteur déterminant.

Dans les circonstances actuelles, Rothman conclut que le seuil prélude à une 6e extinction sera franchi lorsque la quantité de carbone absorbée par les océans - une quantité supérieure au seuil de fuite du carbone séquestré - atteindra 310 gigatonnes. Selon les experts du climat du GIEC, les simulations prédisent que d'ici 2100 la charge de carbone net de l'océan augmentera à hauteur de 300 gigatonnes. Pire, tout autre scénario aboutit à des valeurs sensiblement supérieures.

Toutefois, Rothman ajoute que si le seuil de l'extinction majeure est atteint, la catastrophe ne se déroulera pas soudainement en l'an 2101. Au lieu de cela, le processus pourrait prendre jusqu'à 10000 ans.

Mais comme il le souligne, même si la catastrophe ne survient pas demain, ce n'est pas un prétexte pour ne pas réagir dès aujourd'hui; on connait le risque, on peut donc y remédier. "Si on laisse le cycle du carbone sans contrôle, il va se transformer en un royaume qui ne restera plus longtemps stable et qui se comportera d'une manière difficile à prédire. Dans le passé géologique, ce type de comportement fut associé à une extinction massive." A nous de prendre les bonnes décisions pour éviter ce scénario.

Prochain chapitre

Une extinction pour cause naturelle

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[1] D.M. Raup, “Extinction: Bad genes or bad luck”, W.W.Norton, 1991.


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